低水面河床式水電站廠房選型研究

低水面河床式水電站廠房選型研究

1城市軌道交通方案金沙水電站位于河流上游，是金沙江線路的末端。主要開(kāi)發(fā)任務(wù)是發(fā)電，不僅能供水，改善城市水面的景觀和供水條件，還能對(duì)觀音巖水庫(kù)起到反調(diào)節(jié)作用。金沙水電站正常蓄水位為1022.00m,死水位為1020.00m,校核洪水位為1025.30m,相應(yīng)靜庫(kù)容為1.08億m3,電站裝機(jī)容量為560MW,多年平均發(fā)電量為25.07億kW·h。該工程為Ⅱ等大(2)型工程,擋水、泄洪和電站等主要建筑物為2級(jí),次要建筑物為3級(jí),水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)。混凝土壩、泄洪建筑物及電站建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按100a一遇洪水設(shè)計(jì),1000a一遇洪水校核;消能防沖建筑物按50a一遇洪水設(shè)計(jì)。金沙水電站具有洪水流量大、上下游水頭差小、下游水深較深等特點(diǎn)。該水電站最大水頭為26.8m,最小水頭為8.0m,加權(quán)平均水頭為19.9m,額定水頭為16.8m,單機(jī)引用流量為954.5m3/s,共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為140MW的水輪發(fā)電機(jī)組。金沙水電站的樞紐布置格局為:河床布置混凝土重力壩,河床及左岸布置河床式電站廠房,右岸布置泄洪消能建筑物和導(dǎo)流明渠,廠房尾水渠與消力池采用廠壩導(dǎo)墻隔開(kāi),施工導(dǎo)流采用三期導(dǎo)流方式。樞紐布置見(jiàn)圖1。2壩體結(jié)構(gòu)形式金沙水電站壩址區(qū)兩岸岸坡完整且整體坡度較平緩,為不對(duì)稱“V”型谷,自然山坡穩(wěn)定性較好。河床壩基巖體以弱、微風(fēng)化正長(zhǎng)巖與丙南組微風(fēng)化帶細(xì)砂巖等堅(jiān)硬巖為主,夾少量粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,質(zhì)量較好,質(zhì)量基本以Ⅱ級(jí)為主,部分為Ⅲ級(jí)。考慮在正常蓄水位為1022.00m時(shí),壩軸線處河谷寬為200~265m,可以滿足泄洪建筑物和電站建筑物布置需要,結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn),推薦采用河床式水電站布置型式。國(guó)內(nèi)部分低水頭河床式水電站相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。3軸流式、規(guī)劃方案金沙水電站采用河床式開(kāi)發(fā)方案,其水頭變化范圍為8.0~26.8m,屬低水頭范圍,因此可選機(jī)型有軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式兩種。作為河床式布置的廠房,其本身為擋水建筑物的一部分,其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與擋水建筑物相同;樞紐布置型式無(wú)論是“左廠右泄”還是“左泄右廠”,兩種機(jī)型基本可相互替代,不影響樞紐布置方案的可行性。軸流式水電站水輪機(jī)采用立式布置,具有單機(jī)容量大,且設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)。燈泡貫流式水電站機(jī)組采用臥式布置,出水方向基本是軸向貫通,流道形狀簡(jiǎn)單,施工方便,具有參數(shù)水平高、過(guò)流能力大以及運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。與軸流式水電站相比,相同規(guī)模的燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑較小,流道較順直,廠房結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,平面尺寸相應(yīng)減少,其廠房前緣長(zhǎng)度比軸流機(jī)組可減少20%左右。燈泡式機(jī)組無(wú)尾水肘管,其建基高程比軸流機(jī)組高。因此,在通常情況下,燈泡式機(jī)組廠房的土建工程量比軸流式機(jī)組可節(jié)省投資20%~30%。在確定該工程廠房型式時(shí),需要考慮廠房及樞紐布置的合理性、機(jī)組制造及運(yùn)輸安裝等技術(shù)上的可行性,并應(yīng)結(jié)合運(yùn)行管理因素來(lái)開(kāi)展綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選,最后確定適合該電站特點(diǎn)的廠房型式。3.1機(jī)組段結(jié)構(gòu)及布置電站布置于河道偏左岸,左側(cè)接左岸非溢流壩段,右側(cè)接泄洪壩段;電站建筑物包括攔沙坎、引水渠、機(jī)組段、安裝場(chǎng)、尾水渠、排沙孔及進(jìn)廠交通公路等。電站安裝4臺(tái)140MW水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為560MW。電站廠房自左向右分別為安Ⅰ段、安Ⅱ段、1~4號(hào)機(jī)組段;機(jī)組段采用一機(jī)一縫的分縫形式,順?biāo)飨蛞来尾贾眠M(jìn)水口、主機(jī)段、下游副廠房和尾水平臺(tái)。4個(gè)機(jī)組段總長(zhǎng)為163.80m,其中3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段各長(zhǎng)40.20m,邊機(jī)組段長(zhǎng)為43.20m,機(jī)組段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為102.50m。安Ⅰ段長(zhǎng)為24.00m,安Ⅱ段長(zhǎng)為44.00m,安裝場(chǎng)總長(zhǎng)為68.00m。整個(gè)廠房總長(zhǎng)為231.80m。水輪機(jī)安裝高程為999.00m,建基面高程為961.00m。引水渠布置在機(jī)組壩段上游,下游為尾水渠。為減少泄洪壩段泄洪時(shí)對(duì)機(jī)組發(fā)電的影響,在尾水渠與泄洪壩段之間設(shè)置有尾水導(dǎo)墻。主變及GIS室、中控室布置于主廠房和安Ⅱ段下游側(cè)尾水管頂部的下游副廠房?jī)?nèi)。進(jìn)廠交通由安裝場(chǎng)下游側(cè)進(jìn)廠,對(duì)外接左岸進(jìn)廠公路,廠前設(shè)回車(chē)場(chǎng),高程為1021.00m。3.2機(jī)組壩段結(jié)構(gòu)及布置該方案樞紐建筑物布置格局與軸流式基本相同,不同點(diǎn)僅在于電站安裝的是8臺(tái)70MW貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量560MW不變。電站廠房從左至右依次為安Ⅰ段、安Ⅱ段、1~4號(hào)機(jī)組段;機(jī)組段從上游至下游依次布置進(jìn)水口、主廠房、下游副廠房和尾水平臺(tái);分縫采用兩機(jī)一縫,每一縫段長(zhǎng)為48.5m,總長(zhǎng)為194.00m,機(jī)組段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為91.0m。安裝場(chǎng)段總長(zhǎng)為53.0m,分為安Ⅰ段(18.0m)和安Ⅱ段(35.0m)。電站廠房總長(zhǎng)為247.00m。水輪機(jī)安裝高程為980.00m,建基面高程為965.30m。機(jī)組壩段上游為引水渠,下游為尾水渠。同樣,為了減少泄洪壩段泄洪時(shí)對(duì)機(jī)組發(fā)電的影響,在尾水渠與泄洪壩段之間設(shè)置廠壩導(dǎo)墻。副廠房布置在主廠房下游的流道頂板以上,貫通機(jī)組段與安裝場(chǎng),進(jìn)廠交通由安裝場(chǎng)下游側(cè)進(jìn)廠。4技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較4.1按機(jī)組高程分深與開(kāi)挖方式的關(guān)系研究解決了植放系統(tǒng)的開(kāi)挖和澆筑方量的問(wèn)題經(jīng)對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式兩種機(jī)型方案進(jìn)行分析計(jì)算,投資比較如表2所列。初步分析,燈泡貫流式機(jī)型比軸流式機(jī)型廠房前沿長(zhǎng)度要長(zhǎng)約15.2m。由于該電站壩址處河床較狹窄,又受到樞紐總體布置的限制,因此需要增加對(duì)岸邊山體的擴(kuò)挖;從機(jī)組本身設(shè)計(jì)角度看,燈泡貫流式機(jī)組底板(最低點(diǎn))高程比軸流式機(jī)組有大幅提高,可大幅減少開(kāi)挖和澆筑方量,但由于壩址區(qū)河谷覆蓋層較厚,廠房壩段和電站泄洪壩段基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均要求挖掉覆蓋層,使其坐落在微新巖體上,這樣燈泡貫流式機(jī)型方案就失去了該優(yōu)勢(shì)。從目前土建開(kāi)展情況來(lái)看,金沙壩址覆蓋層的開(kāi)挖與軸流式機(jī)型方案的開(kāi)挖要求基本一致,相對(duì)燈泡貫流式機(jī)型方案而言,其減少開(kāi)挖和澆筑方量的優(yōu)勢(shì)就不再明顯。從可比的廠房土建投資來(lái)看,燈泡貫流式機(jī)型方案比軸流式機(jī)型方案要多投資約1970萬(wàn)元;而燈泡貫流式機(jī)型方案主要機(jī)電設(shè)備投資比軸流式機(jī)型方案大約要低840萬(wàn)元。因此,從投資的角度來(lái)看,采用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組方案比燈泡貫流式機(jī)組方案的投資要節(jié)省約1130萬(wàn)元。4.2系統(tǒng)集成的難點(diǎn)通過(guò)對(duì)土建及機(jī)電設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,認(rèn)為采用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組方案的工程投資較省。此外,還從技術(shù)及運(yùn)行管理方面做了如下分析。(1)參數(shù)水平。金沙水電站兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)參數(shù)水平符合各機(jī)型的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的比速系數(shù)在2650左右;燈泡貫流式機(jī)組的比速系數(shù)在3000左右,貫流式機(jī)組的參數(shù)水平要大于軸流式機(jī)組的參數(shù)水平。(2)水輪機(jī)的制造難度。軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑與葛洲壩大機(jī)(D1=11.3m)的相當(dāng),燈泡貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑與橋鞏電站(D1=7.4m)相當(dāng),在同類機(jī)型中均屬于國(guó)內(nèi)可生產(chǎn)的大型機(jī)組,具有成熟的制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。(3)檢修、運(yùn)行維護(hù)。受到單機(jī)容量限制,燈泡貫流式機(jī)組臺(tái)數(shù)較多,檢修、運(yùn)行維護(hù)工作量比較大。綜上所述,該水電站無(wú)論是采用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,還是采用燈泡貫流式機(jī)組,在技術(shù)上均是可行的;但燈泡貫流式方案所需安裝的機(jī)組臺(tái)數(shù)較多,廠房占樞紐前沿較長(zhǎng),樞紐布置比較困難,設(shè)備的檢修、運(yùn)行維護(hù)工作量比較大;在該階段推薦金沙水電站采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。5影響工程投資及運(yùn)行維護(hù)的因素水電站廠房選型設(shè)計(jì)是樞紐建筑物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分重視的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,